Sistemas combinados de Colectores Solares y Bombas de Calor configuraciones en serie vs configuraciones en paralelo (Solar and Heat Pump Systems: Parallel vs Series Configuration)

Abstract

La creciente demanda mundial por crear sistemas energéticamente más amigables con el medio ambiente no sólo abarca el sector industrial, sino que también crea la necesidad de diseñar ciudades sustentables y más eficientes. Con miras al futuro, varias propuestas buscan suplir la demanda energética domiciliaria utilizando energías y equipos más eficientes y menos contaminantes. Dentro de tales propuestas, los sistemas de energía solar y bombas de calor han cobrado mayor importancia desde el comienzo del presente milenio. El desempeño de estos equipos es muy sensible a factores como tipologías de construcción, condiciones meteorológicas, sistemas de control y equipos seleccionados, por lo que la optimización de su desempeño debe evaluarse para cada caso en particular. Dicho esto, el presente trabajo se enfoca en el estudio de sistemas combinados de bombas de calor y colectores solares (sistemas SHP) no convencionales y en la comparación de su desempeño con los sistemas más convencionales. En efecto, la aplicación más común de los sistemas SHP es utilizar la bomba de calor y los colectores solares para abastecer de forma independiente un estanque de almacenamiento de energía, llamada configuración en paralelo. Sin embargo, existen otros conceptos de sistema en que la energía solar es utilizada de diferentes formas para servir como fuente de energía de la bomba de calor, es decir, colectores y bomba de calor operando en serie. Asimismo, algunas configuraciones de sistema permiten alternar entre ambos conceptos y utilizar la energía solar de forma directa o indirecta a conveniencia. Luego, en el presente trabajo, se dimensionan dos sistemas SHP, uno para calefacción y otro para preparación de agua caliente sanitaria. Estos sistemas son modelados en el ambiente que ofrece el software TRNSYS con el fin de realizar simulaciones numéricas de su comportamiento para determinar su desempeño en un periodo anual. Cada sistema ha sido modelado en dos configuraciones diferentes, denominadas A y B, capaces de operar entre una operación en paralelo y en serie según la programación de un sistema de control. La configuración A consiste en utilizar una bomba de calor con dos evaporadores que alternan: uno para que la bomba de calor trabaje como bomba de calor aire-agua y otro para que el equipo retire calor del circuito de los colectores solares. La configuración B consiste en implementar en la bomba de calor aire-agua un intercambiador de calor que precalienta el aire utilizando energía solar. El sistema de control que aplica el criterio de conmutación entre la operación en paralelo o en serie está basado en 3 condiciones principales. Las dos primeras corresponden a verificar si los circuitos de los colectores solares y de la bomba de calor están previamente activos. Luego, el criterio de conmutación reemplaza la operación en paralelo por la utilización indirecta de los colectores si es que además de esos dos criterios la radiación solar disponible sobre los captadores se encuentra por debajo de un valor de referencia G lim,control-. Debido a la gran influencia de los factores climáticos sobre el desempeño de los equipos y el mismo sistema de control, los sistemas se evalúan mediante simulaciones numéricas en climas de 3 ciudades de Chile: Santiago, Concepción y Puerto Montt. En todos los casos de estudio se encuentra un aumento de los indicadores anuales de rendimiento de la bomba de calor y de los colectores solares. Como es de esperar, la bomba de calor mejora su indicador 𝑆𝑃𝐹𝐻𝑃 porque trabaja una mayor cantidad de tiempo con una mayor fuente de calor de mayor temperatura. El mayor aumento en el sistema de ACS se registra utilizando colectores de termosifón, pasando de 2.81 a 2.99. En el sistema de calefacción con los mismos colectores, se encuentra un mayor aumento máximo de SPF HP de 3.67 a 4.35. Asimismo, los colectores solares aumentan su rendimiento promedio N prom, col por trabajar más tiempo a menor temperatura, disminuyendo sus pérdidas de energía por convección. En el sistema de ACS se encuentra un aumento de rendimiento en los colectores solares sin cobertura de hasta 18.8%, mientras que en el sistema de calefacción se registra un 11.5% de mejora. Sin embargo, esto no es condición suficiente para que el sistema en su conjunto sea más eficiente porque el aporte energético que suma la bomba de calor y los colectores solares resulta menor. Así, los resultados muestran que en casi todos los casos de estudio el indicador de rendimiento global de sistema Seasonal Performance Factor (SPF sist) disminuye, variando en el peor de los casos de 5.35 a 4.3. Sólo en una minoría de los resultados se observa un aumento prácticamente despreciable del indicador. Luego, no se ha podido encontrar una radiación solar límite G lim,control en el sistema de control que permita maximizar el SPF sist- Basado en lo anterior, la contribución de la presente tesis de magister es mostrar la importancia del sistema de control de conmutación de operación asignado al sistema. Esto, porque podría ser posible mejorar los indicadores de rendimiento de sistema con un sistema de control diferente. En efecto, la programación del sistema de control implementado sólo activa la operación en serie si la bomba de calor y los colectores están previamente activos. Con esto implementado, una configuración de sistema que utilice la energía solar de forma indirecta no se justifica en los casos de estudio expuestos. Sin embargo, un sistema de control más complejo podría mantener los colectores solares en funcionamiento una mayor cantidad de tiempo si estos entran en su rango de temperaturas de operación por el hecho de comenzar a ser enfriados por la bomba de calor La programación de tal sistema de control requiere determinar cada momento en que este enfriamiento permitiría sumar tiempo adicional de operación de los colectores. Si esta estrategia de control resulta beneficiosa o no para los presentes casos de estudios queda por determinar.